朱長銀，姬生飛，李興建，于 哲，篤 峻，李忠安，劉 偉

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

隨著電網(wǎng)的高速發(fā)展和站內(nèi)自動化設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用，電力系統(tǒng)生產(chǎn)、控制業(yè)務(wù)對時間同步精度的要求愈來愈高［1-11］。電力系統(tǒng)時間同步的準(zhǔn)確性是保障電網(wǎng)運行控制及故障分析的重要基礎(chǔ)，是提高電網(wǎng)事故分析和穩(wěn)定控制水平的根本保證［12-13］。在變電站中，電力二次設(shè)備中的測控裝置、故障錄波器、微機保護(hù)裝置、功角測量裝置PMU、安全自動裝置、過程層的智能設(shè)備等都需要有站內(nèi)一個統(tǒng)一的時鐘對其授時。這些智能二次設(shè)備各自的功能不同，對時間的精度要求也不盡相同，在發(fā)生電網(wǎng)故障時，變電站各個設(shè)備的時間不一致會造成上送到調(diào)度的繼電保護(hù)動作時刻不準(zhǔn)確，給電網(wǎng)故障分析和繼電保護(hù)動作正確性分析帶來困難，甚至引起誤判［14］。為了避免此類問題的發(fā)生，國家電網(wǎng)有限公司在2014 年發(fā)布了《國調(diào)中心關(guān)于強化電力系統(tǒng)時間同步監(jiān)測管理工作的通知》，通知中要求對電力系統(tǒng)時間系統(tǒng)進(jìn)行同步監(jiān)測，遵循分級管理的原則，通過分級時間同步監(jiān)測的方法實現(xiàn)對電力系統(tǒng)時間同步系統(tǒng)的閉環(huán)管理，同時確定了調(diào)度主站端、廠站端時間同步監(jiān)測的技術(shù)要求和管理技術(shù)方案，并同步下達(dá)了各地市公司變電站時間監(jiān)測的改造計劃。

在發(fā)布的技術(shù)方案中，明確規(guī)定了廠站端的設(shè)備應(yīng)具備時間同步監(jiān)測相關(guān)的功能，功能主要包括設(shè)備狀態(tài)的自檢和對時狀態(tài)的測量，同時規(guī)定了相關(guān)規(guī)約支持同步監(jiān)測系統(tǒng)的閉環(huán)管理［15］。功能和規(guī)約的規(guī)定如表1所示。

表1 時間同步監(jiān)測功能及采用規(guī)約表Table 1 Time synchronization monitoring function and used protocol

1 測試需求分析及現(xiàn)狀

國家電網(wǎng)有限公司在2014 年出臺時間同步監(jiān)測管理工作通知，各二次廠家也迅速在自己的產(chǎn)品中增加了通知和規(guī)范中要求的相關(guān)功能，但截至目前，各廠家對這些功能的測試手段仍然比較缺乏：文獻(xiàn)［16］在自家的產(chǎn)品中實現(xiàn)了一種時間同步可控的測試儀，可以輸出UART報文授時、IRIG-B時間編碼授時、IEEE-1588網(wǎng)絡(luò)報文授時，但是其產(chǎn)品實現(xiàn)的功能僅能控制外部設(shè)備和主時鐘裝置間的時間差，達(dá)到調(diào)整設(shè)備間時間差的目的，但對于二次設(shè)備時間狀態(tài)自檢功能中需要的跳秒、閏秒、時間變化等缺乏必要的手段支持，同時也不具備對二次設(shè)備對時監(jiān)測上送規(guī)約進(jìn)行檢測的能力，是一種開環(huán)方式的測試，使用中有很大的局限性。文獻(xiàn)［17］的專利中提到了一種通過SNTP（Simple Network Time Protocol）對配電設(shè)備進(jìn)行對時后，觸發(fā)配電設(shè)備動作事件，模擬104規(guī)約獲取事件，然后用提取事件信息中時間的方法提供設(shè)備對時功能檢測的方法，該方法提供了測試手段和測試系統(tǒng)，具備一定的借鑒意義，但是該系統(tǒng)也具有一些自身的局限。首先該專利沒有用二次設(shè)備中最常用的IRIG-B 作為對時源信號，也不具備二次設(shè)備時間狀態(tài)自檢功能中需要的跳秒、閏秒、時間變化等功能；其次雖然該專利模擬了規(guī)約但是僅限于對所觸發(fā)的事件信息的提取，沒有在規(guī)約中提供表1中對時狀態(tài)測量的功能。

由于缺乏必要的測試手段，二次設(shè)備廠家往往需要搭建復(fù)雜的測試環(huán)境，把對時裝置、二次設(shè)備和后臺監(jiān)控系統(tǒng)甚至調(diào)度系統(tǒng)組合在一起，進(jìn)行系統(tǒng)級別的聯(lián)調(diào)才能對這些功能進(jìn)行詳細(xì)地測試，同時對于一些設(shè)備告警信息，需要手動插拔對時裝置的對時電纜/光纖進(jìn)行模擬，對于對時信號質(zhì)量標(biāo)志、信號校驗、閏秒等功能甚至需要對時裝置進(jìn)行特殊修改才能進(jìn)行測試，這無疑給二次設(shè)備時間功能測試帶來了極大的不便，給時間同步監(jiān)測功能留下了一定隱患。

2 時間同步測試系統(tǒng)總體設(shè)計

為實現(xiàn)保護(hù)裝置、錄波裝置、安穩(wěn)裝置、測控裝置、合并單元、智能終端等電力系統(tǒng)二次設(shè)備的時間同步功能的測試，本文設(shè)計了一套完整的測試系統(tǒng)，其測試架構(gòu)組成如圖1所示，包括測試管理單元、時間同步測試單元、被測試單元3部分。

圖1 時間同步測試系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram of time synchronization test system

2.1 測試管理單元

在時間同步測試系統(tǒng)中，測試管理單元是系統(tǒng)控制管理中樞，包含時間同步測試單元控制模塊、網(wǎng)絡(luò)IEC103/IEC104/IEC61850 模 塊、GOOSE/SV 模 塊 以 及NTP模塊3部分，各模塊的功能如下：

1） 時間同步測試單元控制模塊

該模塊主要提供對時間同步測試單元的人機接口，用于控制時間同步測試單元。本模塊提供兩種方式的人機控制模式，第一種是定制好的人機界面功能，這種方式采用C++編程，充分發(fā)揮C++語言面向?qū)ο?、?zhí)行效率高等優(yōu)點，但是該模式只能提供給用戶固定的功能，適用于使用門檻較低，快速測試的場景。另一種是提供Python 腳本接口，該模式的主控程序使用C++編程實現(xiàn)，同時內(nèi)嵌了一個python腳本解析器，用于解析執(zhí)行測試腳本，從而很方便地利用腳本控制和擴(kuò)展對時功能的測試，測試腳本是目前比較流行的測試方法，可以減少測試人員的工作量，提高軟件測試的可維護(hù)性，同時腳本語言可移植性好，有利于腳本代碼的可重用性，提高測試的可重復(fù)性［18］。用戶可以通過腳本方式靈活定制測試功能，完成功能擴(kuò)展，充分利用了腳本語言和系統(tǒng)編程語言兩者的優(yōu)點，達(dá)到提高開發(fā)效率，增強程序的靈活性和交互性的目的，實現(xiàn)python與C++的完美融合。

2） 網(wǎng)絡(luò)IEC103/IEC104/IEC61850［19-21］模塊

目前電力系統(tǒng)二次設(shè)備中廣泛采用的通信規(guī)約主要是網(wǎng)絡(luò)103、104 和IEC61850 規(guī)約，網(wǎng)絡(luò)103 規(guī)約即IEC 60870-5-103規(guī)約，在智能化站推廣之前是二次設(shè)備中主流規(guī)約，目前仍在廣泛應(yīng)用，很多已經(jīng)采用IEC61850 規(guī)約的智能站設(shè)備中，網(wǎng)絡(luò)103 一般也會提供支持，這兩種規(guī)約的技術(shù)細(xì)節(jié)在各種文章中已經(jīng)有了充分的論述，本文不再贅述。參考表1，時間同步監(jiān)測要求在已建站通過擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)103、網(wǎng)絡(luò)104 以及IEC61850協(xié)議規(guī)約，將時間狀態(tài)測量信息和設(shè)備自檢信息通過這些規(guī)約上傳至監(jiān)控后臺/調(diào)度后臺以完成時間同步監(jiān)測的功能。因此本文在測試管理單元中實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)IEC103/IEC104 和IEC61850 規(guī)約，通過這些主流的規(guī)約可以和目前絕大多數(shù)的二次設(shè)備進(jìn)行通信，一方面可以收取二次設(shè)備的SOE動作及告警事件，提取其中的時間信息，用于輔助校驗對時功能測試的結(jié)果；另一方面可以通過這些協(xié)議直接獲取被測單元的時間狀態(tài)信息，完成時間同步功能基本功能的測試。在保護(hù)裝置、測控裝置、錄波裝置等二次設(shè)備中，網(wǎng)絡(luò)103、網(wǎng)絡(luò)104 和IEC61850 都是Server 端，因此在本文中實現(xiàn)的是Client 端的程序功能，本系統(tǒng)直接重用本公司變電站廠站后臺監(jiān)控軟件的通信規(guī)約接口，這樣就最大可能地逼近了現(xiàn)場運行環(huán)境，可以可靠地和二次設(shè)備進(jìn)行通信，完成SOE 事件和時間同步狀態(tài)測量信息獲取，通過這些信息中時間信息的提取完成時間同步測試功能的結(jié)果判斷。

3） NTP［22］（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議）模塊

參考表1 可知對新建站的二次設(shè)備中，一般都支持NTP Server 功能，通過NTP 協(xié)議的乒乓法獲取本裝置的時間信息，實現(xiàn)了NTP的Client端的功能，測試時主動對被測試單元發(fā)起時間信息的乒乓請求，通過乒乓原理獲取時間信息，完成測試。時間同步管理的乒乓原理如圖2所示。

圖2 NTP乒乓原理圖Fig.2 NTP ping-pong schematic diagram

T0、T1、T2、T3為裝置時標(biāo)，△t為被測試單元和測試系統(tǒng)的時鐘差，用于抵消測量的誤差，提高測試級精度。

NTP建立在網(wǎng)絡(luò)鏈路延遲對稱的假設(shè)上，因此：

在式（1）、式（2）中，T0和T3時標(biāo)為測量請求端已知，被測對象（響應(yīng)端）返回T1、T2 時標(biāo)在網(wǎng)絡(luò)IEC103/IEC104/IEC61850 模塊中獲取時間狀態(tài)信息時也用到了乒乓原理的方法。

4） GOOSE/SV模塊

該模塊主要用于合并單元和智能終端的對時狀態(tài)測量信息的獲取，對智能終端和支持GOOSE的合并單元，時間同步監(jiān)測信息數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)自檢數(shù)據(jù)都通過GOOSE 傳輸，對于不支持GOOSE 的設(shè)備則通過SV協(xié)議傳輸，其檢測原理也是上述的NTP乒乓原理，不過時間信息在標(biāo)準(zhǔn)GOOSE/SV規(guī)約的應(yīng)用數(shù)據(jù)中根據(jù)規(guī)定做了適當(dāng)擴(kuò)充［15］。本文系統(tǒng)實現(xiàn)的是監(jiān)測請求觸發(fā)的命令，通過解析被測單元返回的報文，按照上述乒乓原理完成測試。

2.2 時間同步測試單元

時間同步測試單元主要實現(xiàn)電力時間同步設(shè)備IRIG-B 對時信號的模擬，用于輸出IRIG-B 正常及異常編碼脈沖信號功能，包括以下幾個功能：

1） IRIG-B時間設(shè)置功能：通過時間同步測試單元控制模塊的人機接口任意設(shè)定系統(tǒng)的時間，時間同步測試單元根據(jù)設(shè)置的時間更新模塊系統(tǒng)時間，同時輸出對應(yīng)的IRIG-B編碼脈沖信號，此后系統(tǒng)時間自動每秒遞增并同步輸出IRIG-B 編碼脈沖信號提供給被測試設(shè)備，該功能配合上述管理測試單元中各協(xié)議模塊提供的乒乓原理的功能，完成被測試設(shè)備對時測量狀態(tài)功能和性能的檢測。

標(biāo)準(zhǔn)的IRIG-B碼脈沖波形如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)的IRIG-B碼輸出脈沖波形圖Fig.3 Standard IRIG-B code output pulse waveform

2） IRIG-B碼的啟?？刂乒δ埽嚎梢愿鶕?jù)人機接口設(shè)置的任意時間序列的組合啟停IRIG-B 編碼脈沖信號的輸出，用于對時功能中丟失及恢復(fù)時的邏輯驗證，設(shè)置的時間包括開始時間、持續(xù)時間參數(shù)，時間同步測試單元在設(shè)定的開始時間輸出對應(yīng)的IRIG-B 編碼脈沖信號，此后系統(tǒng)時間自動每秒遞增并同步輸出IRIG-B 編碼脈沖信號，持續(xù)時間到達(dá)后，停止IRIG-B編碼脈沖信號的輸出，該功能主要用于模擬以往測試中手動插拔對時光纜產(chǎn)生對時接口告警，以及被測設(shè)備守時等功能的檢測。

3） 奇偶校驗功能：可以根據(jù)人機接口設(shè)置的任意時間序列的組合，改變IRIG-B編碼脈沖信號中的奇偶校驗位，用于驗證對時功能中的奇偶校驗變化時的功能邏輯，設(shè)置的時間包括開始時間、持續(xù)時間參數(shù)，時間同步測試單元先根據(jù)系統(tǒng)時間輸出IRIG-B 編碼脈沖信號，此時奇偶校驗位按照系統(tǒng)默認(rèn)輸出，在設(shè)置的開始時間，根據(jù)設(shè)置值改變輸出IRIG-B編碼脈沖信號的奇偶校驗位，持續(xù)時間到達(dá)后，奇偶校驗位的編碼恢復(fù)默認(rèn)值。

4） 品質(zhì)控制功能：可以根據(jù)人機接口設(shè)置的任意時間序列的組合改變IRIG-B 編碼脈沖信號中的品質(zhì)位，用于驗證對時功能中品質(zhì)變化時的功能邏輯，設(shè)置的參數(shù)包括開始時間、持續(xù)時間和品質(zhì)位參數(shù)，時間同步測試單元先根據(jù)系統(tǒng)時間輸出IRIG-B 編碼脈沖信號，此時品質(zhì)位按照系統(tǒng)默認(rèn)輸出，在設(shè)置的開始時間，根據(jù)設(shè)置值改變輸出IRIG-B編碼脈沖信號的品質(zhì)位，持續(xù)時間到達(dá)后，品質(zhì)位的編碼恢復(fù)默認(rèn)值。

5） 閏秒控制功能：可以根據(jù)人機接口設(shè)置的任意時間序列的組合在IRIG-B 編碼脈沖信號中產(chǎn)生閏秒的變化，包括正閏秒和負(fù)閏秒，用于驗證對時功能中產(chǎn)生閏秒變化時的功能邏輯，設(shè)置參數(shù)包括開始時間和閏秒的變化方式參數(shù)，時間同步測試單元首先根據(jù)模塊的系統(tǒng)時間產(chǎn)生正常的IRIG-B編碼脈沖信號，正閏秒模式時，在設(shè)置的開始時間的分鐘結(jié)束時按58-59-60-00 變動系統(tǒng)時間的秒值，并同步輸出相應(yīng)的IRIG-B編碼脈沖信號；負(fù)閏秒模式時在設(shè)定的開始時間分鐘結(jié)束時按58-00 變動系統(tǒng)時間的秒值，并同步輸出相應(yīng)的IRIG-B 編碼脈沖信號，閏秒變化后，恢復(fù)正常的IRIG-B編碼脈沖信號輸出。

6） 跳秒功能：可以根據(jù)人機接口設(shè)置的任意時間序列的組合在IRIG-B 編碼脈沖信號中產(chǎn)生跳秒的變化，用于驗證對時功能中的跳秒變化時的功能邏輯，設(shè)置參數(shù)包括開始時間、持續(xù)時間和跳秒數(shù)值等參數(shù)，時間同步測試單元首先根據(jù)模塊的系統(tǒng)時間產(chǎn)生正常的IRIG-B編碼脈沖信號，在設(shè)置的開始時間到達(dá)時根據(jù)設(shè)定的跳秒數(shù)值變化系統(tǒng)時間的秒值，在跳秒變化后的系統(tǒng)時間基礎(chǔ)上每秒變化秒值同步輸出IRIG-B 編碼脈沖信號，持續(xù)時間到達(dá)后，恢復(fù)系統(tǒng)時間，并同步輸出IRIG-B 編碼脈沖信號。

3 時間同步監(jiān)測功能的具體測試方法

由上述可知，電力二次設(shè)備的時間同步監(jiān)測主要對基本對時功能、時間狀態(tài)測量功能和設(shè)備狀態(tài)自檢的功能進(jìn)行監(jiān)測，同時檢查設(shè)備規(guī)約支持情況，測試項目如表2。

表2 被授時設(shè)備功能檢測表Table 2 Function test sheet of timed device

對于上述功能的測試，測試連接圖如圖1所示，基本對時功能的檢測主要是驗證被測設(shè)備接入對時信號時，應(yīng)能正確地解析時間，正確同步，且對時的精度要能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。而設(shè)備狀態(tài)自檢功能則是驗證被測試設(shè)備在各種異常情況下能產(chǎn)生相關(guān)的告警信息，這兩種場景的測試方法和流程基本類似：

1） 通過時間同步測試裝置產(chǎn)生不同功能所需的IRIG-B信號，本文提供的模塊每種功能都包含了起始時間和持續(xù)時間，通過Python 提供的腳本接口設(shè)置每種功能所需要時間的組合，形成狀態(tài)序列的組合，控制時間同步測試裝置模擬對應(yīng)的功能IRIG-B信號。

2） 時間同步測試管理單元通過相對應(yīng)的規(guī)約讀取被測試設(shè)備的時間信息，對于基本對時功能以及對時狀態(tài)測量功能通過表1規(guī)定的規(guī)約讀取被測設(shè)備的時間信息（ 新設(shè)備通常是NTP規(guī)約），并根據(jù)乒乓原理的方法對時間信息提供校準(zhǔn)，以修正網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來的誤差，對于設(shè)備狀態(tài)的自檢功能，此處還對應(yīng)相關(guān)協(xié)議中上送的告警信息，時間同步測試管理單元通過對應(yīng)的規(guī)約收集對應(yīng)事件信息。

3） 測試管理單元根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定相關(guān)測試功能校驗的判據(jù)，根據(jù)第二步收集的時間信息和告警事件信息綜合判斷，給出功能測試的結(jié)果，完成測試過程。

以上是基本的測試步驟，但是電力系統(tǒng)中投運的裝置眾多，對于尚有一些早期投運的裝置可能并未根據(jù)相關(guān)規(guī)定在規(guī)約中提供對應(yīng)的功能，因此本文的時間同步測試裝置，除具備IRIG-B 信號模擬外，還可以同步產(chǎn)生開關(guān)量信號，包括常規(guī)的開關(guān)量信號和標(biāo)準(zhǔn)GOOSE 規(guī)約信號，在IRIG-B 產(chǎn)生的相關(guān)時刻，同步輸出開關(guān)量變位，觸發(fā)被測試裝備產(chǎn)生SOE事件，然后通過對應(yīng)的規(guī)約收集這些信息，解析其中的時間信息，輔助相關(guān)功能的判斷。

通過上述步驟，完成了電力二次設(shè)備的時間同步監(jiān)測中的基本對時功能、時間狀態(tài)測量功能和設(shè)備狀態(tài)自檢的功能測試，測試時同步驗證了相關(guān)的規(guī)約功能。

4 時間同步測試系統(tǒng)的實際應(yīng)用

本文提出時間同步測試系統(tǒng)是在國家電力調(diào)度控制中心強化電力系統(tǒng)時間同步監(jiān)測管理工作的情況下開發(fā)使用的，南京南瑞繼保電氣有限公司的新產(chǎn)品在送檢時需要詳盡的測試時間同步監(jiān)測的相關(guān)功能，對于老產(chǎn)品的升級改造也需要進(jìn)行詳細(xì)的測試，在沒有測試手段的情況下，需要借助GPS時間同步裝置、監(jiān)控后臺搭建系統(tǒng)進(jìn)行測試，對于時間狀態(tài)信息測量的功能通過這種方法雖然測試復(fù)雜，但還可以完成；對于檢測被測設(shè)備在對時源異常狀態(tài)下的功能測試，這些異常場景使用標(biāo)準(zhǔn)的時間同步裝置時，即使通過手動方法測試，也很難模擬，難以完成全部的功能測試，且費時費力。

通過本文所提供的接口功能，用戶很容易通過Python腳本或者功能界面完成被測設(shè)備的時間同步監(jiān)測管理功能的測試，特別是Python 腳本的方式控制方便靈活，可以方便定制模擬各種場景的功能測試。在研發(fā)測試中，對被測試設(shè)備的功能及性能測試以及功能升級后的回歸測試中發(fā)揮極大的作用，顯著提高測試效率，給南京南瑞繼保電氣有限公司產(chǎn)品性能和可靠性的提升提供了很大的幫助，這種測試方法應(yīng)用方便，易于重用，在工程驗收的場景下也可以發(fā)揮相應(yīng)的作用。

5 結(jié)語

時鐘同步技術(shù)對電力系統(tǒng)運行具有重要意義，通過引入時間同步監(jiān)測管理功能，對全網(wǎng)時間同步的狀態(tài)實施統(tǒng)一監(jiān)管，保證了系統(tǒng)的精確運行，而本文引入自動化手段，對這些功能進(jìn)行詳盡地測試，則進(jìn)一步保證了電力二次設(shè)備時間同步的功能和性能，同時降低了運維檢測人員的工作量，提升了效率，從而也能更好地保證電力生產(chǎn)運行的安全。